Single-particle electron microscopy and hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry are used to characterize the structure and dynamics of a G-protein-coupled receptor–arrestin complex. Much has been learned about the structure of G-protein-coupled receptors (GCPRs) over the past seven years, but we still don't know what an activated GPCR looks like when it is bound to a β-arrestin. (Arrestins are cellular mediators with a broad range of functions, many of them involving GPCRs.) In this study the authors use single-particle electron microscopy and hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry to characterize the structure and dynamics of a GPCR–arrestin complex. Their data support a 'biphasic' mechanism, in which the arrestin initially interacts with the phosphorylated carboxy terminus of the GPCR before re-arranging to more fully engage the membrane protein in a signalling-competent conformation. G-protein-coupled receptors (GPCRs) are critically regulated by β-arrestins, which not only desensitize G-protein signalling but also initiate a G-protein-independent wave of signalling1,2,3,4,5. A recent surge of structural data on a number of GPCRs, including the β2 adrenergic receptor (β2AR)–G-protein complex, has provided novel insights into the structural basis of receptor activation6,7,8,9,10,11. However, complementary information has been lacking on the recruitment of β-arrestins to activated GPCRs, primarily owing to challenges in obtaining stable receptor–β-arrestin complexes for structural studies. Here we devised a strategy for forming and purifying a functional human β2AR–β-arrestin-1 complex that allowed us to visualize its architecture by single-particle negative-stain electron microscopy and to characterize the interactions between β2AR and β-arrestin 1 using hydrogen–deuterium exchange mass spectrometry (HDX-MS) and chemical crosslinking. Electron microscopy two-dimensional averages and three-dimensional reconstructions reveal bimodal binding of β-arrestin 1 to the β2AR, involving two separate sets of interactions, one with the phosphorylated carboxy terminus of the receptor and the other with its seven-transmembrane core. Areas of reduced HDX together with identification of crosslinked residues suggest engagement of the finger loop of β-arrestin 1 with the seven-transmembrane core of the receptor. In contrast, focal areas of raised HDX levels indicate regions of increased dynamics in both the N and C domains of β-arrestin 1 when coupled to the β2AR. A molecular model of the β2AR–β-arrestin signalling complex was made by docking activated β-arrestin 1 and β2AR crystal structures into the electron microscopy map densities with constraints provided by HDX-MS and crosslinking, allowing us to obtain valuable insights into the overall architecture of a receptor–arrestin complex. The dynamic and structural information presented here provides a framework for better understanding the basis of GPCR regulation by arrestins.

The Mre11/Rad50/NBS1 (MRN) complex maintains genomic stability by bridging DNA ends and initiating DNA damage signaling through activation of the ATM kinase. Mre11 possesses DNA nuclease activities that are highly conserved in evolution but play unknown roles in mammals. To define the functions of Mre11, we engineered targeted mouse alleles that either abrogate nuclease activities or inactivate the entire MRN complex. Mre11 nuclease deficiency causes a striking array of phenotypes indistinguishable from the absence of MRN, including early embryonic lethality and dramatic genomic instability. We identify a crucial role for the nuclease activities in homology-directed double-strand-break repair and a contributing role in activating the ATR kinase. However, the nuclease activities are not required to activate ATM after DNA damage or telomere deprotection. Therefore, nucleolytic processing by Mre11 is an essential function of fundamental importance in DNA repair, distinct from MRN control of ATM signaling.

The active-state complex between an agonist-bound receptor and a guanine nucleotide-free G protein represents the fundamental signaling assembly for the majority of hormone and neurotransmitter signaling. We applied single-particle electron microscopy (EM) analysis to examine the architecture of agonist-occupied β 2 -adrenoceptor (β 2 AR) in complex with the heterotrimeric G protein Gs (Gαsβγ). EM 2D averages and 3D reconstructions of the detergent-solubilized complex reveal an overall architecture that is in very good agreement with the crystal structure of the active-state ternary complex. Strikingly however, the α-helical domain of Gαs appears highly flexible in the absence of nucleotide. In contrast, the presence of the pyrophosphate mimic foscarnet (phosphonoformate), and also the presence of GDP, favor the stabilization of the α-helical domain on the Ras-like domain of Gαs. Molecular modeling of the α-helical domain in the 3D EM maps suggests that in its stabilized form it assumes a conformation reminiscent to the one observed in the crystal structure of Gαs-GTPγS. These data argue that the α-helical domain undergoes a nucleotide-dependent transition from a flexible to a conformationally stabilized state.